автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Микроструктурные параметры замедленного хрупкого разрушения мартенситных сталей

центральный ордена трудового красного знамени

научно-исследовательскии институт черной металлургии имени и. п. бардина

На правах рукописи

спектор алексеи яковлевич

микроструктурные параметры замедленного хрупкого разрушения мартенсигных сталей

05.16.01 - "Металловедение и термическая обработка металлов"

Автореферат

диссертации на соискание- ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Институте качественных сталей ЦНИИчермета им. И. П. Бардина

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

САРРАК В. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

БОТВИНА Л. Р.

кандидат технических наук БЕРЕСНЕВ А.Г.

Ведущая организация: Московский вечерний металлургический институт

Защита состоится 27". 05". 1992 г. в /2°° час на заседании специализированного совета Д 141.04.02. при ЦНИИчермете им. И.П.Бардина по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская, д. 9/23.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке ЦНИИчермета.

Автореферат разослан .1992 г. Справки по телефону: 265-73-47

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

стар. науч. сотрудник Н.М.Александрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время значительного развития - достигли теоретические представления о природе различных видов хрупкого разрушения - хладноломкости, водородного охрупчивания, замедленного разрушения. В рамках большинства расчетных моделей хрупкого разрушения влияние структуры учитывается в основном косвенно. В то же время, накоплен значительный фактический материал о влиянии структурного состояния на хрупкость стали. Однако, имеется ограниченное число данных о связи макрапластических характеристик сопротивления материала хрупкому разрушении с параметрами локального разрушения. В первую очередь., это связано с тем, что известные критерии хрупкого разрушения и основанные на них методы испытаний предполагают сравнительна оценку хрупкой прочности стали. При этом, как правила, не учитывается неоднородность структуры и поля напряжений.

Общим для хрупкого разрушения при кратковременном Схладноломкость) и длительном (замедленное разрушение) натружении является критическая роль процесса локального разрушения. В связи с этим, изучение процесса локального разрушения на мшсроструктурном уровне, включающего зарождение трещины и переход к ее распространению имеет важное значение.

В зависимости от вида хрупкого разрушения процесс локального разрушения может быть связан с действием ' различных микромеханизмов. Поэтому необходим анализ условий реализации тех или иных микромехавизмов.

Кроме того, актуальной проблемой является установление зависимостей, позволяющих прогнозировать работоспособность изделий из высокопрочных сталей по характеристикам, отражающим структурное состояние металла в жестких условиях эксплуатации (водородсодержащие среды).

Целью работы являлась разработка модели и критериев локального разрушения мартенситных сталей на микроструктурном уровне, а также разработка на этой основе методов испытаний образцов и деталей на замедленное хрупкое разрушение в условиях наводороживания.

В соответствии с поставленной целью в работе решали следующие задачи:

1.Установление связи трещиностойкости материала со структурно-механическими характеристиками локального разрушения при хрупком разрушении и замедленной разрушении,

вызванном водородом.

2.Установление закономерностей перехода от зарождения к развитию трещины хрупкого разрушения для высокопрочной стали в различных структурных состояниях.

3.Установление количественных закономерностей влияния размера исходного аустенитного зерна на структурно-механические характеристики замедленного хрупкого разрушения высокопрочной стали при наводороживании.

4. Изучение склонности порошковой стали к замедленному хрупкому разрушение при наводорохивании.

5.Установление закономерностей влияния пористости порошковой стали . на ее склонность к замедленному разрушении, вызванному водородом.

6.Разработка методов испытаний образцов и деталей на замедленное хрупкое разрушение в условиях наводороживания.

Научная новизна работы. При решении поставленных в работе 14 впервые получены следующие научные результаты:

-установлена связь пороговых коэффициентов интенсивности напряжений при замедленном хрупком разрушении со структурно-механическими характеристиками в вершине концентратора напряжений (пороговым локальным напряжением и характеристическим расстоянием], что позволило выяснить роль структурного состояния в обеспечении сопротивления металла замедленному хрупкому разрушение-,

-установлена связь характеристик интеркристаллитного локального разрушения (критического и порогового локальных напряжений) при низкотемпературном охрупчивании и замедленном хрупком разрушении, вызванном водородом на основе обнаруженной инвариантности микроструктурного параметра, имевшего смысл критического коэффициента интенсивности локальных напряжений, к этим видам хрупкости;

-Разработан новый подход к разделение стадий зарождения и распространения трещины хрупкого разрушения, заключающийся в сравнении характеристических расстояний (или процессорных зон) при изменении структурного состояния или вида хрупкого разрушения, основанный на анализе соотношения критического максимального локального растягивавшего напряжения - характеристики сопротивления материала зарождение трещины и вязкости разрушения - характеристики сопротивления материала распространение трещины.

-Уотановлено, что структурным элементом, ответственным за хрупкое разрушение мартенситностареодей стали, состаренной по режиму, обеспечивавшему максимальное упрочнение, является размер исходного аустенитного зерна. Характеристическое расстояние для этого случая определяется микромеханизмом хрупкого разрушения и размером аустенитного зерна и по величине соответствует двум диаметрам исходного зерна аустенита. -установлены закономерности изменения пороговых характеристик трещиностойкости и локального разрушения при замедленном хрупком разрушении мартенситной стали с различным размером исходного аустенитного зерна при наводороживании; установлено, что пороговое максимальное локальное растягивающее напряжение уменьшается с увеличением размера аустенитного зерна пропорционально сГ^; -обнаружено явление замедленного хрупкого разрушения порошковой стали, вызванного воздействием водорода; -установлены закономерности влияния пористости на пороговые характеристики трещиностойкости и локального разрушения при замедленном хрупком разрушении порошковой стали в условиях . наводороживания.

Практическая значимость работы. Проведенные в работе следования позволили выявить и количественно описать основные ¡сономерности процесса замедленного хрупкого разрушения, зьтаемого водородом и обусловливающего падение несущей эсобности металлоконструкций с коцентраторами напряжений, гановить связь силовых характеристик замедленного разрушения с раметрами хрупкой прочности, отражающими структурное состояние гериала. В прикладном плане эти результаты позволили научно основать практические рекомендации по оптимизации структурных стояний высокопрочной стали. Разработанная в работе методика енки склонности труб из высокопрочной мартенситностаревщей стали замедленному хрупкому разрушению при длительном хранении пользована в НИМИ, а положенный в ее основу способ определения асного уровня остаточных внутренних микронапряжений защищен тентом. Предложенный способ определения склонности к медленному хрупкому разрушению при наводороживании разрывных разцов может быть использован при прогнозировании замедленного зрушения высокопрочных сталей в условиях заводских лабораторий. На защиту выносятся:

1.Установленные закономерности связи трещиностойкости с локальными характеристиками хрупкого, в том числе замедленного разрушения.

2.Разработанные положения о характеристическом расстоянии, заключающиеся в том, что до зарождения трещины оно характеризует размер зоны процесса локального разрушения, а после зарождения -критическую длину трещины и характеризует, таким образом,- процесс перехода от стадии зарождения к стадии развтия трещины. Величина характеристического расстояния, при этом,определяется соотношением между сопротивлением материала зарождение и развитие трещины.

3. Обнаруженная для интеркристаллитн'ого типа разрушения инвариантность критического коэффициента интенсивности локальных напряжений к различным видам хрупкости, и установленная на этой основе связь локальных характеристик хрупкого разрушения при низкотемпературном охрупчивании и замедленном хрупком разрушении, вызванном водородом, для интеркристаллитного типа разрушения.

4.Методический подход к разделение стадий зарождения и распространения трещины для различных видов хрупкого разрушения высокопрочной стали и соответствующих, микромеханизмов локального разрушения.

5. Установленные закономерности влияния исходного аустенит-ного зерна мартенситной стали на характеристики замедленного хрупкого разрушения, вызванного водородом.

6.Выявленная временная зависимость прочности порошковой стали, связанная с протеканием процесса замедленного хрупкого разрушения, вызванного воздействием водорода; установленные основные закономерности этого процесса, а также функциональная связь между характеристиками замедленного разрушения и пористостью.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на н/т конференции "Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов" (Ижевск, 1989 г.), 6-Всесоюзной конференции "Физика разрушения" (Киев, 1989 г.), 4-й Всесоюзной конференции "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий" (Запорожье, 1989 г.), 5-й республиканской конференции "Коррозия металлов под напряжением и методы защиты" (Львов, 1989 г.), 1-м Всесоюзном школе-семинаре "Структурная и химическая микронеоднородность в материалах" ( Киев, 1990 г.3, Всесоюзной н/т конференции "Повышение механических и эксплуатационных свойств сталей массового производства" (Москва, 1990. г.), 3-м Всесоюзном

семинаре "Механика разрушения" С Киев, 1990 г.), 6-м Республиканском семинаре "Разработка, производство и применение инструментальных сталей" СЗапорожье, 1990 г.), 4-м Всесоюзном симпозиуме "Стали и сплавы криогенной техники" (Батуми, 1990 г.), Всесоюзном семинаре "Флокены и противофлокеновая обработка сталей" (Донецк,1990 г.), н/т семинаре "Новые способы- термической и упрочняющей обработки экономно-легированных инструментальных и конструкционных сталей "(Севастополь, 1991 г.3, Международной конференции "Разрушение и структура конструкционных материалов" (Сингапур, 1991 г.), 6-й Международной конференции "Механические свойства материалов" (Япония, Киото, 1991 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, списка литературы, приложения и содержит 167 страниц машинописного текста, 54 рисунка, 2 таблицы. Список литературы включает 220 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса.

Дан аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы по теме диссертационной работы. Рассмотрены'основные положения о природе хрупкого, в том числе замедленного разрушения. Приведены сведения о воздействии водорода на механические свойства высокопрочных сталей. Отмечено, что практически отсутствует информация о связи пороговых характеристик замедленного хрупкого разрушения (ЗХРЗ с характеристиками локального разрушения, определяемыми структурным состоянием материала. Изложены основные модели и критерии локального разрушения.

Материал и методики исследования. Цель и задачи работы предопределили необходимость исследования промышленных и модельных высокопрочных сталей: мартенситных 18Х2Н4ВА, 45, 20С2ГЗН2ХФ мартенситностарешдих Н11Х6М2Т2, Н18М2Т2, ЭП836, а также порошкового сплава 40Н4Д2М. При исследовании этих материалов использовались методики определения стандартных механических свойств, механических испытаний при пониженных температурах, испытаний на ЭХР в воздушной среде и при электролитическом наводороживании, металлографического и фрактографического исследований, рентгенографического определения количества остаточного аустенита и акустико-эмиссионных испытаний.

Микромеханическое моделирование локального разрушения стали. Для высокопрочных сталей процесс хрупкого разрушения материала, не содержащего исходных трещин, контролируется стадией зарождения трещины.

Полагали, что подход Ричи-Нотта-Райса, основанный на рассмотрении критического состояния материала перед вершиной трещины и позволяющий установить связь сопротивления развитию трещины (вязкость разрушения К^0) с характеристикой сопротивления зарождению трещины - критическим максимальным растягивающим напряжением (КМЛРН) вр - посредством введения характеристического расстояния Х0 , может быть использован для рассмотрения условий зарождения трещины перед надрезом в мартенситных сталях повышенной прочности.

Проводили испытания различных мартенситных сталей. Определяли вязкость разрушения характеристическое расстояние Х0 (процессорную зону) и КМЛРН б-р (хрупкую прочность). Применяли образцы с острыми надрезами и наведенными усталостными трещинами.

Исследования показали, что различные тенденции зависимости от Х0 и егр для разных сталей, не позволяют установить непосредственную связь К^ с Х0, егр , тогда как линейный характер связи с параметром <Гр очевиден. Подобный характер

зависимости от параметра вр может быть объяснен в первом приближении в рамках модели, рассматривающей условие нестабильности зародышевой трещины размером Х0 в поле локальных напряжений <Гр.

Представления о характеристическом расстоянии, зависящем от структуры и механизма разрушения, можно перенести на случай разрушения образцов с более мягкими, чем наведенная трещина концентраторами напряжений, например, разрушения образцов с надрезом, для которых известно распределение напряжений перед надрезом (рис.1). В этом случае, как и для разрушения образца с исходной макротрещиной, Х0 представляет собой характерный размер области материала, нагруженной напряжениями, превышающими критическое <?р. Можно предложить последовательность стадий разрушения материала без заранее созданной ыакротрещины. Процесс разрушения начинается с зарождения микротрещин в локальном объеме с характерным размером Х0, находящемся в поле напряжений Ср. Затем микротрещины сливаются, образуя зародышевую трещину длиной Х0. Дальнейшее поведение такого дефекта определяется интесивностью локальных напряжений в его вершинах.

При температурах ниже критической температуры хрупкости КМЛРН и связаны посредством характеристического расстояния Х0. До зарождения трещины Х0 характеризует необходимый размер зоны процесса локального разрушения, а после зарождения - ее критическую длину.

В некоторых случаях (состояние отпускной хрупкости) при пороговых нагрузках вызванного водородом замедленного разрушения мартенситной стали Сиспытания на длительную прочность) и хрупком разрушении той же стали в таком же структурном состоянии при температурах ниже температуры хладноломкости (испытания со стандартной скоростью нагружения) реализуется интеркристаллитный тип разрушения без признаков макропластической деформации (нет остаточного прогиба). Представляет интерес сопоставление энергетических затрат на развитие межзеренной зародышевой трещины при низкотемпературном охрупчивании и замедленном разрушении,вызванном водородом, путем сравнения соответствующих значений вязкости разрушения К1с(Ткр) и К^.

Предполагали, что в материале без исходной трещины происходит образование зародышевой микротрещины размером Х0(ТКр) СХ^^) в поле напряжений ®р ' механическая нестабильность которой

.определяется распределением напряжений перед ней, т.е. критическим коэффициентом интенсивности локальных напряжений.

Исследовали сталь 18Х2Н4ВА, которую с целью обеспечения ин-теркристаллитного характера разрушения при низких температурах и при замедленном разрушении вызванном водородом, легировали 0,1 вес.Я фосфора.

Установлено, что для одной и той же стали Х0 и е-р при критической температуре хрупкости и и б^^ при

замедленном разрушении, вызванном водородом, резко отличаются, что свидетельствует о различных механизмах образования зародышевой трещины. Однако, величины К^СГ^) и К^^ совпадают: (К1с(Ткр)=34 МН/м3^2 К^=32 МН/м3/2). Основываясь на этом, можно предположить, что условия механической нестабильности наведенной макротрещины при критической температуре хрупкости и для порогового напряжения замедленного разрушения, вызванного водородом, если реализуется интеркристаллитный тип разрушения, идентичны, т.е. распределение напряжений в том и другом случае одинаковое.

Согласно предложенной модели, одинаковое распределение локальных напряжений перед зародышевой трещиной длиной Х0 при критической температуре хрупкости и Х^^ при замедленном

бп |\

\ 1 Yi *

йт

W иы |Х>1

Рис.1. Характеристическое расстояние в поле критические максимальных локальных растягивающих напряжений <3р перед трещиноИ С1) и концентраторами напряжений различной остроты С2,3); е^ -предел текучести.

«„. н/»Л____ '

С

4000 i\ 1 \ 1 \ 1 > 1 ч «К

3000 1 .«'"»'I

'X

2000 1' \ 11 > Н ' \ <п\н<1 к-'"' 1 ^ч. 1 1 1 1 1 1

1000 II и || 1 1 1

„«<«' и 1 1 Г 1 „(.о)

U («1|| у«, 1 1 м J 1 ' у** .г* .1-4 1

ьо <00 <50 гоо гьо мо х,

Рис.2. Уровни критических максимальных локальны растягивающих напряжений и распределения напряжений перед вершине трещины для различных случаев. хрупкого разрушенн мартенситностареющей стали Н18М2Т2; МО - состояние максимально! охрупчивания; МУ - состояние максимального упрочнения.

разрушении, вызванном водородом, достигается в- поле различных локальных напряжений <Гр и ^ии^ и обеспечивает одинаковое нагружение элементов структуры (зерен), находящихся непосредственно перед свежеобразованным дефектом Х0 . Поэтому можно полагать, что распространение зародышевой трещины Х0, образовавшейся при критической температуре хрупкости, и Х^^ при замедленном разрушении полностью определяется структурно-чувствительными характеристиками материала и

начинается при достижении критического значения коэффициента интенсивности локальных напряжений перед дефектом Х0. Инвариантность критического коэффициента интенсивности локальных напряжений охрупчиванию металла низкими температурами и водородом позволяет установить связь параметров локального' разрушения егр, ®11и1' ^о^кр"1 и ПРИ интеркристаллитном разрушении в виде

«ть = ^ ух0сткр)/х»1Ь

Структурно-механические аспекты хрупкого разрушения мартен-ситностаревщих сталей. Учитывая возможность реализации для различных структурных состояний мартенситностареющих сталей следующих видов хрупкости: низкотемпературного охрупчивания, ЭХР, вызванного локальными внутренними микронапряжениями (ЛВМЮ и ЗХР при наводороживании, полагали, что такое многообразие видов хрупкого разрушения позволит проследить изменение микроструктурных параметров локального разрушения при переходе от одного вида хрупкости к другому.

Установлено , что мартенситностареющие стали Н18М2Т2 и Н11Х6М2Т2, проявляют склонность к ЗХР. По результатам испытаний с различными скоростями нагружения выявлены режимы старения, обеспечивающие максимальную склонность к ЭХР - 425°С, 3 часа и минимальную склонность к ЗХР в сочетании с максимальным упрочнением - 510°С, 3 часа .

Установлено, что в состоянии максимального упрочнения мартенситностареющая сталь Н18М2Т2 не склонна к ЭХР на воздухе, что, по-видимому, связано с пренебрежимо малым уровнем ЛВМН на межфазных границах интерметаллидов и матрицы.

Сравнение характеристических расстояний, соответствующих хрупкому разрушению при активном нагружении при критической температуре хрупкости и ЗХР, вызванному водородом для состояния максимального упрочнения, указывает на то, что характерные размеры

зон процесса предразрушения в первой и втором случае близки и соответственно равны 51 и 45 мкм при наиболее часто встречающемся размере исходного аустенитного зерна 22 мкм. Несмотря на различие типа скола в зоне локального разрушения Сдля случая хрупкого разрушения при критической температуре хрупкости транскристаллитный излом, а для случая ЗХР, вызванного водородом,-межзеренный), характерный размер зоны процесса зарождения трещины в том и в другом случае соответствует двум размерам исходного аустенитного зерна, что свидетельствует о подобии микромеханизмов локального разрушения.

Таким образом, структурным элементом, ответственным за хрупкое разрушение мартенситностареющей стали после старения, обеспечивающего наилучший комплекс механических свойств и минимальный уровень ЛВМН, является размер исходного аустенитного зерна. Для этого случая представляется возможным прогнозирование критического коэффициента интенсивности напряжений СКИН) при хрупком разрушении и порогового КИН при замедленном разрушении, вызванном водородом, на основе ранее, предложенной связи между вязкостью разрушения, КМЛРН и характеристическим расстоянием.

Сравнение характеристических расстояний для режимов максимального охрупчивания и максимального упрочнения в случае активного нагружения проводили при критических температурах хрупкости надрезанных образцов, так как для каждого из рассматриваемых состояний этим температурам соответствуют одинаковые перенапряжения перед надрезом в зоне локального разрушения. Было установлено, что при неизменном размере исходного аустенитного зерна и одинаковом перенапряжении характеристические расстояния для изучаемых структурных состояний заметно различаются: 155 мкм для режима максимального охрупчивания и 51 мкм для режима максимального упрочнения. Это различие в величинах характеристических расстояний может быть в первом приближении объяснено с помощью масштабной схемы, приведенной на рис.2. На схеме представлены уровни КМЛРН и распределения напряжений перед вершиной трещины, соответствующе различным случаям хрупкого разрушения для рассматриваемых состояний мартенситностареющей стали Н18М2Т2. Характеристическому расстоянию Х0 на данной схеме соответствует пересечение напряжением еу кривой сз^Сх).

Видно, что значения Х0 определяются конкурентным положением уровня бр и кривой б-^Сх}. Снижение е^ или общий подъем <г^(х) приводят к возрастанию Х0.

Таким образом понятно, как изменится Х0 при переходе от ■ одного структурного состояния к другому при неизменных условиях испытаний (скорость нагруженая, температура и др.) либо при переходе от одного вида испытаний к другому при неизменном структурном состоянии. Кроме того, зная, что изменение Яр и К^с в противоположных направлениях влияет на величину Х0 , легко установить, какой фактор является определяющим.

Можно предложить следующую схему микромеханизма зарождения трещины хрупкого разрушения для стали в структурном состоянии с высоким уровнем ЛВМН, локализованных на границах исходного аустенитного зерна. При наличии высокого уровня ЛВМН, локализованных на границах исходного аустенитного зерна, последние являются наиболее слабым по отношению к хрупкому разрушению элементом структуры. Другими славами, снижение <Гр , характеризующего сопротивление материала зарождению трещины на самом слабом элементе структуры, настолько значительно, что зарождение трещины может происходить путем множественного микрорастрескивания по границам исходных аустенитных зерен (рис.3). При этом появляется возможность релаксации пиковых напряжений в вершине не только наиболее благоприятно ориентированного дислокационного скопления, но и других дислокационных скоплений путем образования микротрещин в благоприятно ориентированных по отношению к максимальным локальным растягивающим напряжениям границах зерен. Реализация такого микромеханизма ведет к образованию многочисленных микротрещин на границах исходных аустенитных зерен в зоне локального разрушения. Множественное микрорастрескивание по-видимому приводит к снижению локальных напряжений в вершинах зародышевых микротрещин и, тем самым, затрудняет их слияние в одну зародышевую трещину. Слияние микротрещин происходит тогда, когда процесс микрорастрескивания охватывает достаточно значительный объем материала (превышающий соответствующий объем для случая отсутствия ЛВМН), характеризуемый величиной Х0, и образующаяся трещина способна самопроизвольно распространяться даже при почти таком же, как для состояния максимального упрочнения, сопротивлении материала распространению трещины К1с СК^ = 68 МН/м3/2, К^ = 73 МН/м3/2).

Величина характеристического расстояния для хрупкого разрушения при активном нагружении и при ЗХР на воздухе для мартенситно-стареющей стали в состоянии максимального охрупчивания указывает на отличие микромеханизма хрупкости в этих случаях. Отличие микро-

Рис.З. Схема микромеханизма -зарождения трещины путей множественного микрорастрескивания по границам исходных аустенитных зерен.

Рис.4. Разделение вкладов остаточных внутренние

микронапряжений (3) и водорода (2) в общее снижение когезивно!

прочности (1) стали 20С2ГЗН2ХФ при замедленном хрупком разрушени)

в присутствии водорода.

механизма ЗХР заключается в уменьшении зоны процесса зарождения трещины и соответствующего уменьшения критической длины зародышевой трещины в связи с понижением сопротивления ее развитию.

Величина Х0 для ЭХР при одновременном электролитическом наводороживании и для ЗХР на воздухе при испытании мартенситностареющей стали в структурном состоянии максимального охрупчивания свидетельствует о преимущественном влиянии водорода на сопротивление материала зарождению трещины замедленного разрушения по сравнению с сопротивлением материала распространению уже зародившейся трещины.

Влияние размера исходного аустенитного зерна на пороговые характеристики локального разрушения при замедленном разрушении мартенситной стали, вызванном водородом. При изучении влияния размера исходного аустенитного зерна на пороговые характеристики локального разрушения при ЗХР мартенситной стали, вызванном водородом, в качестве модельной стали использовали сталь 20С2ГЗН2ХФ, для которой известно, что распад мартенсита в ней не начинается до 350-400°С, то есть возможна варьирование уровня остаточных внутренних микронапряхений СОВМЮ путем изменения температуры отпуска до 300°С без существенных структурных изменений.

Вопрос о влиянии исходного аустенитного зерна на характеристики ЗХР в присутствии водорода практически не изучен. Особый интерес вызывает изучение влияния размера аустенитного зерна на пороговые характеристики локального разрушения мартенситной стали с различным уровнем остаточных внутренних микронапряжений при замедленном разрушении, вызванном водородом.

При изучении зависимости порогового максимального локального растягивающего напряжения (ПМЛРЮ от размера исходного аустенитного зерна установлено, что как для случая высокого уровня ОВМН , так и для случая пренебрежимо низких ОВМН в диапазоне размеров зерен от 28 мкм и более имеет место зависимость между ПМЛРН и размером исходного аустенитного зерна б в виде:

= V к * "1/2-

где б"0 и к - коэффициенты, определяемые для соответствующих структурных состояний стали.

Для выяснения природы уменьшения с ростом исходного

аустенитного зерна, строили зависимости (Агг^ + А?ВНКкривая 1), Азд (кривая 2) и 4гвн (кривая 3) от б , где: - снижение

когезивной прочности, связанное с воздействием водорода; А?вн -понижение когезивной прочности, связанное с ОВМН; б - размер

исходного аустенитного зерна , рис.4. Видно, что увеличение б приводит к увеличению Аг^ и (Агвн + А?вн).

Величина ег^^^^, характеризующая сопротивление материала зарождению трещины, для каждого размера исходного аустенитного зерна, определяется двумя независимыми факторами Ер и Ау^. Изменение ЕрСб) связано с зернограничным охрупчиванием, степень которого увеличивается с увеличением температуры и времени выдержки образцов исследуемой стали в аустенитной области, и, как следствие, с усилением зернограничных сегрегации охрупчивающих примесей. Необходимо отметить, что вклад зернограничных сегрегаций в снижение бр при росте с1 полностью учитывается в зависимости <Гр(бЭ. В то же время имеет место рост Агц при увеличении б, рис.4, кривая 2, и , поскольку вклад зернограничного охрупчивания в зависимость Аз^Сб) исключен, то увеличение Аз^ с ростом б следует связывать только с воздействием водорода.

Известно ,.что Аз^ прямо связано с концентрацией водорода:

^Н - СН

В связи с этим, причиной увеличения Азу при росте исходного аустенитного зерна, по-видимому, следует считать возможность создания на границах аустенитного зерна большего размера большей концентрации водорода в течение инкубационного периода замедленного разрушения. Повышение концентрации водорода на границе исходного аустенитного зерна при увеличении его размера может быть объяснено, исходя из следующих соображений. В результате увеличения исходного аустенитного зерна происходит соответствующее увеличение размеров мартенситных кристаллов, образующихся при закалке. Динамическое взаимодействие между такими кристаллами и границами аустенитного зерна приводит к возникновению различных структурных искажений и даже микротрещин, являющихся мощными водородными ловушками. Иными словами, способность границ исходного аустенитного зерна аккумулировать водород возрастает с увеличением размера аустенитного зерна за счет увеличения мощности водородных ловушек, а также общего числа таких ловушек вследствие увеличения количества мест выхода мартенситных кристаллов на границу зерна.

Рассмотрение влияния размера исходного аустенитного зерна на пороговые КИН К^^ для двух состояний стали с различным уровнем ОВМН показывает, что имеет место возрастание К^^ с ростом б для обоих случаев. Наличие ОВМН приводит к снижению пороговых КИН, причем рост б ослабляет эту тенденцию и . при б = 60 мкм ОВМН

-17ц

практически не влияют на величину К^^.

Небольшое увеличение К.!^ с ростом б при пренебрежимо низком уровне ОВМН может быть объяснено усилением микроскопического ветвления макротрещины при увеличении аустенитного зерна.

Таким образом, можно полагать, что сопротивление материала распространению макротрещины С под действием внешней нагрузки и водорода в отличие от сопротивления материала зарождению трещшы, характеризуемого величиной б*^^, возрастает с увеличением исходного аустенитного зерна в связи с усилением микроскопического ветвления. Увеличение размера исходного аустенитного зерна усиливает охрупчивающую роль водорода за счет увеличения его концентрации на границах зерен, где для материала без исходных макротрещин происходит микрорастрескийание, ведущее к образованию зародышевой трещины. При наличии исходной макротрещины ее дальнейшее развитие затрудняется из-за микроскопического зернограничного ветвления, которое проявляется тем сильнее, чем сильнее охрупчивает водород границы исходных аустенитных зерен . по мере роста последних.

Зависимость к!^ от с1 при наличии ОВМН быть объяснена, исходя из следующих соображений. Ранее было показано, что с увеличением размера исходного аустенитного зерна уровень ОВМН, локализованных на границах зерен, возрастает, и, соответственно, усиливается тенденция к микроскопическому ветвлению. Этот процесс приводит к более резкому возрастанию К^^ с ростом (1.

Рассмотрение влияния размера исходного аустенитного зерна на характеристическое расстояние для случая ЭХР при наводороживании мартенситной стали с различными уровнями ОВМН, показывает, что имеет место возрастание Х0. Наличие ОВМН приводит к более резкому увеличению Х0 с размером исходного аустенитного зерна. Увеличение Х0 с ростом аустенитного зерна указывает на изменение соотношения между зарождением и развитием трещины ЗХР, так что общее снижение сопротивления стали замедленному разрушению при наводороживании происходит за счет падения сопротивления зарождению трещины, перекрывающего противоположный эффект возрастания сопротивления распространению трещины.

Необходимо отметить, что для всех размеров аустенитного зерна сохраняется соотношение Ь с! % Х0, где Ь = 1.3-2.5, что указывает ва то, что именно исходное аустенитное зерно является элементом структуры, ответственным за развитие замедленного хрупкого разрушения при наводороживании. В связи с тем, что Х0 с одной

стороны определяет характерный размер зоны процесса зарождения трещины, а с другой - длину этой трещины, можно констатировать, что величина зародышевой механически нестабильной трещины замедленного разрушения увеличивается с ростом аустенитного зерна, оставаясь с ним в соотношении 1.5-2.5.

Замедленное разрушение порошковой стали при наводороживании. Детали, изготовленные из порошковых сталей, как правило, не испытывают высоких нагрузок при эксплуатации. Однако, расширение областей применения деталей конструкций из порошковых сталей, в том числе в водородсодержащих средах, ставит задачу изучения склонности подобных сталей к ЗХР в присутствии водорода.

Испытания призматических образцов Шарпи с надрезами и наведенными усталостными трещинами и с различной пористостью -9.8, 16.1, 18 и 21 У. - проводили на универсальной испытательной машине "INSTR0N". Регистрировали время до разрушения, разрушающую нагрузку Спо диаграмме), а также сигналы акустической эмиссии.

Установлено, что как и для мартенситной стали, для порошковой стали характерны три стадии развития замедленного разрушения, вызванного водородом: инкубационный период (зарождение трещины), стабильный (медленный) рост и катастрофическое разрушение.

С целью изучения закономерностей зарождения и развития трещины ЗХР в порошковой стали с различной пористостью определяли структурно-чувствительные характеристики локального разрушения ^llth' '''Ith и ^oth' рассмотрении влияния пористости на

величину ПМЛРН при ЗХР , вызванном водородом, установлено, что увеличение пористости приводит ■к линейному снижению ßfith (рис.5), которое может быть описано выражением типа:

' Л ЛСо) ®llth =-®llth " в п'

m -

н(о)

где - ПМЛРН, соответствующее нулевой пористости;

коэффициент.

Было обнаружено, что разность = б-р ^ииг

представляющая собой вклад водорода при ЗХР в понижение когезивной прочности границ между порошинками, не зависит от пористости (в равновесных условиях, как это имеет место для порогового напряжения). Предположительно, Аз^ представляет собой избыточное давление водорода, молизующегося в порах, т.е. Аг^ % Р^ .

По-видимому, в рассматриваемом случае водородное охрупчивание протекает по известному механизму избыточного давления газообразного

Т200

ТООО

800

600

О 10 20

Рис.5. Влияние пористости порошкЬвой стали на критическое максимальное локальное растягивающее напряжение С1) и пороговое максимальное локальное растягивающее напряжение замедленного хрупкого разрушения при наводороживании (2).

МН/м3*

40

20

0

0 ТО 26 П,%

Рис.6. Влияние пористости на вязкость разрушения (13 и пороговый коэффициент интенсивности Напряжений замедленного хрупкого разрушения порошковой стали при наводороживании (2).

I \

о - Л \ • •ч

\ \ бтш

водорода.

Влияние пористости на сопротивление материала распространении трещины имеет аналогичную тенденцию. С увеличением пористости К1с Срис.б кривая 1) при активном нагружении снижается в связи с уменьшением энергетических затрат при слиянии пор с фройтом растущей трещины.

. Изучение влияния пористости на пороговый КИН позволило установить, что, как и для зависимости в^ц.^®' Рост пористости ведет к уменьшению К^^. Обнаружено также, что и для КИН разность Л %= *1с ~ * не зависит от пористости.

Анализ факторов, ведущих к изменению хЦ^ с ростом пористости, показывает, что уменьшение хЦ^ (рис.73 происходит за счет снижения т.е. сопротивления материала распространению

трещины. Учитывая, что Л Ку не зависит от пористости, т.е. водород не вносит вклада в зависимость снижение К^ с ростом

пористости обусловлено только уменьшением энергетических затрат на распространение трещины при слиянии пор с фронтом растущего дефекта.

Разработка и применение методов испытан ¡й на замедленное , разрушение. В работе предложен способ оценки склонности высокопрочной стали к замедленному разрушению при наводороживании гладких разрывных образцов. Способ включает механические испытания гладких или надрезанных образцов на замедленное разрушение при одновременном насыщении их водородом, расчет максимальных локальных растягивающих напряжений для образцов с надрезом и растягивающего напряжения для гладких образцов, установление порогового напряжения, ниже уровня которого зарождение трещины не происходит.

В изделиях из»высокопрочных сталей зарождение трещины, как правило, происходит на поверхности материала при отсутствии пластической зоны. При такой ситуации в месте концентратора напряжений реализуется двухосное напряженное состояние, а при отсутствии концентратора (гладкий образец) - одноосное (рис.8).В предлагаемом способе испытаний высокопрочных сталей рассматривали случай упругого нагружения, когда зарождение трещин как в надрезанных, так и в гладких образцах происходило на поверхности образца без образования пластической зоны, что позволяло моделировать трещинообразование в реальных изделиях.

По результатам испытаний и расчета максимальных локальных растягивающих напряжений «, действующих в месте зарождения

о ТО 20 П,Х

Рис.7. Влияние пористости на характеристическое расстояние при пороговых нагрузках замедленного хрупкого разрушения, вызванного водородом.

Рис.8. Распределение главных растягивающих напряжений перед надрезом при упругом нагружении:

1, 2, 3 соответствуют ег^, 6-33, е-^.

трещины, строили зависимости времени до разрушения от 1 тду для надрезанных и гладких образцов. Установлено, что пороговые номинальные напряжения не совпадают, а пороговые напряжения, полученные по результатам расчета о^щ^ совпадают для различных способов натружения.

Таким образом, в случае зарождения трещины с поверхности металла без образования пластической зоны переход от испытаний, создающих двухосное напряженное состояние, к испытаниям, создающим одноосное напряженное состояние, не оказывает влияния на величину порогового локального напряжения.

Также разрабатывалась усовершенствованная методика определения склонности труб из высокопрочной стали к образованию трещин при вылеживании (к замедленному хрупкому разрушению).

Растрескивание труб из высокопрочной стали при длительном хранении происходит под действием остаточних внутренних микронапряжений СОВМЮ. Гарантия предотвращения растрескивания -низкий уровень ОВМН в трубах, который должен быть ниже порогового напряжения растрескивания металла.

Разработанная методика позволяет определять пороговое напряжение растрескивания металла труб при их длительном хранении на основании испытаний кольцевых образцов в штатном растворе серной кислоты. По разработанной методике проведены испытания образцов труб производства ЮТЗ и выдана гарантия их сохранности при хранении на 15 лет.

ВЫВОДЫ

1. Установлена связь критерия вязкости разрушения с микроструктурными параметрами локального разрушения- критическим максимальным локальным растягивающим напряжением и характеристическим расстоянием. Показана возможность структурно-механического моделирования порогового коэффициента интенсивности напряжений при замедленном хрупком разрушении, вызванном водородом по известным значениям порогового максимального локального растягивающего напряжения и соответствующего характеристического расстояния. Для стали, не содержащей исходных дефектов, до зарождения трещины характеристическое расстояние характеризует необходимый размер зоны процесса локального разрушения, а после зарождения - критическую длину зародившейся трещины.

2. Для интеркристаллитного разрушения при достижении предельных степеней охрупчивания мартенситной стали с понижением температуры и при реализации замедленного разрушения, вызванного

водородом, показана инвариантность микроструктурного параметра, имеющего смысл критического коэффициента интенсивности локальных напряжений, к этим видам хрупкости, и установлена связь между критерием замедленного разрушения, вызванного водородом, пороговым максимальным локальным . растягивающим напряжением - и критерием локального разрушения при активном нагружении критическим максимальным локальным растягивающим напряжением.

3. Разработан новый подход к разделению стадий зарождения и распространения трещины хрупкого разрушения при изменении структурного состояния или вида хрупкого разрушения, заключающийся в сравнении характеристических расстояний (или процессорных зон), основанный на анализе соотношения критического максимального локального растягивающего напряжения - характеристики сопротивления. материала зарождению трещины и вязкости разрушения характеристики сопротивления материала распространению трещины.

4. Установлено, что увеличение размера исходного аустенитного зерна приводит к уменьшению уровня порогового максимального локального растягивающего напряжения замедленного разрушения при наводороживании стали 20С2ГЗН2ХФ, как при наличии, так и в отсутствии остаточных внутренних микронапряжений.

Установлено, что пороговый коэффициент интенсивности напряжений при замедленном разрушении мартенситной стали с различными уровнями остаточных внутренних микронапряжений в условиях наводороживания увеличивается с ростом исходного аустенитного зерна, что связано с ветвлением исходной трещины по границам аустенитных зерен, причем процесс ветвления усиливается по мере увеличения размера зерна.

Общее снижение сопротивления стали замедленному хрупкому разрушению при наводороживании при увеличении аустенитного зерна объясняется падением сопротивления зарождению трещины, перекрывающим противоположный эффект возрастания сопротивления распространению трещины и выражается в увеличении характеристического расстояния с ростом исходного аустенитного зерна.

5. Впервые установлено, что порошковая сталь склонна к замедленному хрупкому разрушению при наводороживании.

Показано, что увеличение пористости порошковой стали приводит к снижению порогового максимального локального растягивающего напряжения и порогового коэффициента интенсивности напряжений. Зависимости пороговых максимальных локальных растягивающих напряжений и пороговых коэффициентов интенсивности напряжений от пористо-

сти могут быть представлены аналитически.

Уменьшение характеристического расстояния при увеличении пористости обусловлено падением порогового коэффициента интенсивности напряжений, характеризующего сопротивление материала распространению трещины.

6. Разработан способ испытаний высокопрочной стали на замедленное хрупкое разрушение . при наводороживании, позволяющий определить пороговое локальное напряжение по результатам испытаний на одноосное растяжение стандартных разрывных образцов. Установлено, что в случае зарождения трещины замедленного разрушения с поверхности металла переход от испытаний, создающих двухосное напряженное состояние, к испытаниям, создающим одноосное напряженное состояние, не оказывает влияния на величину порогового локального напряжения.

Разработана рабочая методика испытаний, позволяющая определять пороговое напряжение растрескивания труб из .высокопрочной мартенситностареющей стали при их длительном хранении на основании испытаний кольцевых образцов в штатном растворе серной кислоты. С помощью разработанной методики проведены испытания труб промышленного производства и выдана гарантия их сохранности при хранении в течение 15 лет.

Основное содержание диссертации отражено в следующих опубликованных работах:

1. Мишин В.М. , Спектор А.Я., Саррак В.И. Интеркристаллитное замедленное разрушение высокопрочной стали в водородсодержаще8 среде.- В кн.:Интеркристаллитная хрупкость сталей и сплавов.-Ижевск: УрО АН СССР,1989.-С.30.

2. Мишин В.М., Спектор А. Я., Кислюк И. В., Саррак В. И. , Латышковг Ц. П. Изменение микр^механизма хрупкого разрушения при пониженш температуры испытания наводороженной и ненаводороженной стали.-Tai же, С.76.

3. Саррак В. И. , Мишин В. М., Спектор А. Я. Растрескиванш высокопрочной стали под напряжением в водородсодержащей среде npi различных напряженных состояниях.-В кн.:Коррозия под напряжением i методы защиты.-Львов: ФМИ АН УССР,1989.-С.39.

4. Мишин В.М., Саррак В.И. .Спектор А. Я. Структурно-чувствительны! параметры локального разрушения и критерий вязкости разрушения.-кн.: Структурная и химическая микронеоднородность материалах.-Киев: ИПМ АН УССР,1990.-С.103-105.

5. Спектор А. Я., Мишин В.М., Саррак. В. И. Влияние режим

наводороживания на пороговое напряжение замедленного разрушения высокопрочной стали. - В кн.: Повышение механических и эксплуатационных свойств сталей массового производства.-М.: Черметинформация,1990. -С. 79.

6. Мишин В.М., Саррак В. И., Спектор А. Я. Структурно-мюсро-механическое моделирование замедленного разрушения сталей, вызванного водородом. -В кн.:Тревдностойкостъ материалов и элементов конструкций.- Киев: КПП АН УССР,1990. -С.95-96.

7. Мишин В.М., Спектор А. Я., Саррак В. И. О применимости критериев локального разрушения для оценки склонности мартенситностареющей стали к замедленному разрушению. В кн.:Разработка, производство и применение инструментальных сталей.-Запорожье: УкрНИИспецсталь, 1990,С. 11.

8. Саррак В. И., Мишин В.М., Спектор А. Я. Критерий надежности конструкционных сталей при низкотемпературном охрупчивании и при замедленном разрушении, вызванном водородом.- В кн.¡Стали и сплавы криогенной техники.-Батуми: АН ГССРД990. -С. 91.

9. Мишин В.М. , Саррак В.И., Спектор А.Я. Связь трещиностойкости и характеристик локального разрушения при низких температурах. -Там же,С.93.

10. ПеркасМ. Д. , Спектор А. Я. Явление замедленного разрушения экономнолегировашшх мартенситностареюцих сталей Н18М2Т2 и Н11Х6М2Т2. - В кн.¡Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий.-Запорожье:ЗМИ, 1989.-С. 81.

И. V. I.Sarrak, V.M.Mishin and A. Y.Spector. Delayed Fracture and its Criteria // Mat.Int.Conf. on Fracture of Engineering Materials and Structures.-Singapore,1991. -P. 844-849.

12. Суворова С. 0., Тавадзе Л. Ф., Спектор А. Я., Гогиашвили М. А. Влияние содержания хрома и никеля на механические свойства сплавов системы железо-хром-никель. -В кн.:Влияние дислокационной структуры на свойства металлов и сплавов.-Тула,1991.-с.173-177.

13. В. И. Саррак, А. Я. Спектор, В.М.Мишин. Сопротивление высокопрочной наводороженной стали замедленному разрушению // Заводская лаборатория.-1991.-N. 2.-С. 57-58.

14. Авторское свидетельство Спатент) N... по заявке 4889150/28 от 06.12.90 г., Способ определения уровня остаточных внутренних микронапряжений / Саррак В. И., Спектор А.Я. , Васильчик В.И. Решение о выдаче патента от 05.01.92 г.